JP4179253B2 - 偏光素子、液晶表示パネルおよび液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、入射光を所定の偏光光に変換する偏光素子、ならびにそれを利用した液晶表示パネルおよび液晶表示装置に関する。

従来より、偏光光を利用した画像表示装置が知られている。例えば、液晶表示パネルを用いた液晶表示装置では、表示パネルに対する照明光として直線偏光光を用いている。このような装置では、所定の偏光光を得るために、偏光素子が用いられている。

図７は、液晶表示装置などに用いられる偏光素子１００の一例を示している（特許文献１）。この偏光素子１００は、ガラス基板１１０の構造化表面に蒸着された偏光分離膜１３０と、ガラス基板１２０の構造化表面に塗布された接着剤１４０とを接合して構成されている。ガラス基板１１０，１２０は、所定のピッチごとに二等辺三角柱のプリズムが形成された構造化表面を一方の面に有しており、このプリズムの斜面は、ガラス基板１１０，１２０の他方の平坦な面に対してほぼ４５°の角度を有している。偏光分離膜１３０は、１つの低屈折率材料１３０Ａと１つの高屈折率材料１３０Ｂとを交互に繰り返し積層して形成された多層膜からなる。接着剤１４０は、ガラス基板１１０，１２０とほぼ同じ屈折率の材料で構成されている。

この偏光素子１００では、ガラス基板１１０の平坦な面にほぼ垂直に入射した入射光は、偏光分離膜１３０で選択的に透過，反射されて、ｓ偏光とｐ偏光とに空間分離される。偏光分離膜１３０を透過したｐ偏光は、ガラス基板１２０から射出される。一方、偏光分離膜１３０で反射されたｓ偏光は、隣接するプリズム上に形成されている偏光分離膜１３０で反射され、ガラス基板１１０から射出される。この結果、偏光素子１００を透過して射出される光束はすべてｐ偏光となる。このｐ偏光が、例えば液晶表示パネルへの照明光として利用される。なお、偏光素子１００を透過して射出された光束を例えば１／２波長板へ入射することにより、最終的な偏光成分をｓ偏光にすることも可能である。

特開２００４−７８２３４号公報

しかしながら、上記の偏光素子１００では、ｓ偏光とｐ偏光とに空間分離する能力を高めるために何十層もの膜を積層させて偏光分離膜１３０を形成する必要がある。また、それぞれの膜は、全て一定の膜厚というわけではなく、所望の光学特性が得られるように各膜ごとに膜厚を調整する必要がある。さらに、偏光分離膜１３０を形成するには、スパッタや蒸着等のドライ工程または塗布等のウエット工程を用いる必要がある。これらのことから、偏光分離膜１３０は製造が困難であると共に、偏光素子１００を安価に供給することが困難である。また、偏光素子１００を安価に供給するために偏光分離膜１３０の積層数を少なくした場合には、ｓ偏光とｐ偏光とに空間分離する能力が著しく低下する。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、製造が容易、かつ安価であると共に、空間分離能力に優れた偏光素子を提供することにある。

また、本発明の第２の目的は、上記偏光素子を利用した液晶表示パネルおよび液晶表示装置を提供することにある。

本発明の第１の偏光素子は、光入射面と、光学異方性材料からなる複数の柱状プリズムとを備えたものである。各柱状プリズムは、延在方向と直交する方向に並列配置されており、空気に接すると共に前記光入射面とのなす角が互いに等しい一対の光射出面を有する二等辺三角形状となっている。各柱状プリズムは、一対の光射出面において、光入射面に垂直に入射した入射光のうち第１偏光を透過し、入射光のうち第１偏光に対して直交する偏光方向を有する第２偏光を光入射面側に全反射するようになっている。

本発明の第２の偏光素子は、第１光入射面、第１光射出面、第２光入射面および第２光射出面を備えている。第１光射出面には光学異方性材料からなる複数の第１柱状プリズムが設けられており、各第１柱状プリズムが当該複数の第１柱状プリズムの延在方向と直交する方向に並列配置されている。各第１柱状プリズムは、空気に接すると共に第１光入射面とのなす角が互いに等しい一対の第１斜面を有する二等辺三角形状となっており、かつ、一対の第１斜面において、第１光入射面に垂直に入射した入射光のうち第１偏光を透過し、入射光のうち第１偏光に対して直交する偏光方向を有する第２偏光を光入射面側に全反射するようになっている。第２光入射面には複数の第２柱状プリズムが設けられており、各第２柱状プリズムが、当該複数の第２柱状プリズムの延在方向が第１柱状プリズムの延在方向と平行となるように第１柱状プリズムと所定の間隔で対向配置されている。各第２柱状プリズムは、空気に接すると共に第１光入射面とのなす角が互いに等しい一対の第２斜面を有する二等辺三角柱形状となっており、かつ、一対の第２斜面において、第１柱状プリズムを透過した偏光光を透過するようになっている。第２光射出面は、第２光入射面との関係で第１光射出面とは反対側に設けられており、第１光入射面と平行となっている。

本発明の第３の偏光素子は、光入射面および光射出面を備えている。光射出面には光学異方性材料からなる複数の第１柱状プリズムと、複数の第２柱状プリズムとが設けられている。複数の第１柱状プリズムは、当該複数の第１柱状プリズムの延在方向と直交する方向に並列配置されている。各第１柱状プリズムは、第２柱状プリズムに接合されると共に光入射面とのなす角が互いに等しい一対の第３斜面を有する二等辺三角柱形状となっており、かつ、一対の第３斜面において、光入射面に垂直に入射した入射光のうち第１偏光と第１偏光に対して直交する偏光方向を有する第２偏光との各成分を分離すると共に透過するようになっている。複数の第２柱状プリズムは、当該複数の第２柱状プリズムの延在方向が第１柱状プリズムの延在方向と平行となるように第１柱状プリズムとの関係で光入射面とは反対側に配置されており、さらに第１柱状プリズムに接合されている。各第２柱状プリズムは、空気に接すると共に光入射面とのなす角が互いに等しい一対の第４斜面を有する二等辺三角柱形状となっており、かつ、一対の第４斜面において、第１柱状プリズムを透過した第１偏光を透過し、第１柱状プリズムを透過した第２偏光を光入射面側に全反射するようになっている。

本発明の液晶表示パネルおよび液晶表示装置は、上記第１ないし第３の偏光素子のいずれかを備えたものである。

本発明の第１の偏光素子ならびにこれを備えた液晶表示パネルおよび液晶表示装置では、光学異方性材料からなる柱状プリズムの、空気に接する一対の光射出面において、光入射面に垂直に入射した入射光のうち第１偏光が透過され、入射光のうち第２偏光が光入射面側に全反射される。そして、透過した第１偏光が、例えば液晶表示パネルおよび液晶表示装置の照明光として利用される。
本発明の第２の偏光素子では、光学異方性材料からなる第１柱状プリズムの、空気に接する一対の第１斜面において、第１光入射面に垂直に入射した入射光のうち第１偏光が透過され、入射光のうち第２偏光が第１光入射面側に全反射される。さらに、第２柱状プリズムの、空気に接する一対の第２斜面において、第１柱状プリズムを透過した偏光光が透過される。そして、第２柱状プリズムを透過した偏光光が、例えば液晶表示パネルおよび液晶表示装置の照明光として利用される。
本発明の第３の偏光素子では、光学異方性材料からなる第１柱状プリズムの、第２柱状プリズムに接合された一対の第３斜面において、光入射面に垂直に入射した入射光は第１偏光と第２偏光と分離される。分離された第１偏光および第２偏光は第１柱状プリズムを透過したのち、第１偏光は第２柱状プリズムの、空気に接する一対の第４斜面を透過し、第２偏光は第２柱状プリズムの、空気に接する一対の第４斜面で全反射される。そして、透過した第１偏光が、例えば液晶表示パネルおよび液晶表示装置の照明光として利用される。

特に、本発明の第２の偏光素子では、第１プリズムを透過した第１偏光は、第２プリズムから入射光とほぼ同一の方向に出射される。

本発明の第１の偏光素子ならびにこれを備えた液晶表示パネルおよび液晶表示装置によれば、光学異方性材料からなる柱状プリズムの、空気に接する一対の光射出面において、光入射面に垂直に入射した入射光のうち第１偏光を透過し、入射光のうち第２偏光を光入射面側に全反射するようにしたので、形成母体自体によって自立的に偏光光を分離することができる。これにより、従来の偏光素子のように何十層もの多層膜を形成する必要がなくなる。よって、製造が容易となり、かつ安価であると共に、空間分離能力に優れたものとなる。
本発明の第２の偏光素子によれば、光学異方性材料からなる第１柱状プリズムの、空気に接する一対の第１斜面において、第１光入射面に垂直に入射した入射光のうち第１偏光を透過し、入射光のうち第２偏光を第１光入射面側に全反射し、さらに、第２柱状プリズムの、空気に接する一対の第２斜面において、第１柱状プリズムを透過した偏光光を透過するようにしたので、形成母体自体によって自立的に偏光光を分離することができる。これにより、従来の偏光素子のように何十層もの多層膜を形成する必要がなくなる。よって、製造が容易となり、かつ安価であると共に、空間分離能力に優れたものとなる。
本発明の第３の偏光素子によれば、光学異方性材料からなる第１柱状プリズムの、第２プリズムに接合された一対の第３斜面において、光入射面に垂直に入射した入射光を第１偏光と第２偏光と分離し、分離した第１偏光および第２偏光を透過させたのち、第１偏光を第２柱状プリズムの、空気に接する一対の第４斜面を透過させ、第２偏光を第２柱状プリズムの、空気に接する一対の第４斜面で全反射するようにしたので、形成母体自体によって自立的に偏光光を分離することができる。これにより、従来の偏光素子のように何十層もの多層膜を形成する必要がなくなる。よって、製造が容易となり、かつ安価であると共に、空間分離能力に優れたものとなる。

また、本発明の液晶表示パネルまたは液晶表示装置によれば、上記第１ないし第３の偏光素子のいずれかを備えるようにしたので、安価であると共に、表示品質に優れている。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の一実施の形態に係る偏光素子１の断面を表したものである。この偏光素子１は、基材フィルム１０上に複数のプリズム１１を備えた構成を有している。

プリズム１１は、光学異方性（複屈折性）を有する材料で構成されている。具体的には、入射面に垂直な方向に配向方向（光学軸）を有するアラミド材で構成されており、ｓ偏光に対して１．５７（＝Ｎｓ）、ｐ偏光に対して１．８６（＝Ｎｐ）の屈折率を有している。このプリズム１１は、例えば底角αが３７．５０°の二等辺三角柱で構成されており、基材フィルム１０の一方の側に、所定のピッチごとに、底角に挟まれた底面が基材フィルム１０に接するように設けられている。なお、二等辺三角柱の母線方向が光学軸に平行な方向に対応している。なお、基材フィルム１０は、プリズム１１と同一の材料で構成されており、プリズム１１と同一の光学軸および複屈折性を有している。

ここで、プリズム１１の「底面」とは、二等辺三角柱の表面における四角形の形状からなる３つの面のうち、二等辺三角形の等辺以外の辺を一辺とする面であり、二等辺三角形の等辺以外の辺の両端にある互いに等しい角度の底角によって挟み込まれた面を意味する。

基材フィルム１０は、プリズム１１の配列を保持するためのものである。また、プリズム１１は、底面側から入射する無偏光の入射光をｐ偏光とｓ偏光とに空間分離するようになっている。具体的には、底面側から入射する無偏光の入射光のうちｐ偏光成分を選択的に透過してプリズム１１の斜面側から射出すると共に、ｓ偏光成分を選択的に反射してプリズム１１の底面側に射出するようになっている。

ここで、プリズム１１の「斜面」とは、二等辺三角柱の表面における四角形の形状からなる３つの面のうち、二等辺三角形の等辺を一辺とする面を意味する。

本実施の形態の偏光素子１は、基材フィルム１０の裏面に、混合された偏光成分を有する光が入射され、その入射光を光学異方性を有するプリズム１１内においてｐ偏光成分とｓ偏光成分とに分離する。そして、その分離されたｐ偏光成分をプリズム１１の斜面から透過すると共に、分離されたｓ偏光成分をプリズム１１の斜面で反射して底面から入射光側に戻す。

次に、プリズム１１によってｐ偏光とｓ偏光とを空間分離する方法について説明する。

ｐ偏光が上述のようにプリズム１１の斜面を透過するには、入射光がプリズム１１の斜面に入射する角度γが少なくともｐ偏光に対する臨界角βｐより小さいことが必要である。一方、ｓ偏光が上述のようにプリズム１１の斜面で全反射されるには、入射光がプリズム１１の斜面に入射する角度γが少なくともｓ偏光に対する臨界角βｓ以上であることが必要である。従って、入射光がプリズム１１の斜面に入射する角度γは、ｓ偏光に対する臨界角βｓ以上、ｐ偏光に対する臨界角βｐ未満であることが必要となる。その結果、プリズム１１の底角αは、入射光をプリズム１１の底面に垂直に入射させる場合において、ｓ偏光に対する臨界角βｓ以上、ｐ偏光に対する臨界角βｐ未満であることが必要となる。

そこで、入射光がプリズム１１の底面に垂直に入射するとして具体的に計算する。偏光素子１を取り巻く媒質を空気（屈折率Ｎａ＝１．０）とすると、ｐ偏光に対する臨界角βｐは、ｓｉｎ^-1( Ｎａ／Ｎｐ) ＝３９．５６°となり、ｓ偏光に対する臨界角βｓは、ｓｉｎ^-1( Ｎａ／Ｎｓ) ＝３２．５２°となる。従って、入射光がプリズム１１の斜面に入射する角度γは、３２．５２°以上、３９．５６°未満であることが必要となる。その結果、プリズム１１の底角αは、３２．５２°以上、３９．５６°未満であることが必要となる。なお、本実施の形態におけるプリズム１１の底角αは、３７．５０°なので、上記の条件を満たしている。

以上より、本実施の形態の偏光素子１によれば、光学異方性を有すると共に、上記の条件を満たす底角αを有するプリズム１１を用いるようにしたので、入射光をｐ偏光とｓ偏光とに空間分離することができる。また、プリズム１１を透過する光をｐ偏光のみとすることができ、偏光分離性能が顕著に優れたものとなる。

また、本実施の形態の偏光素子１では、光学異方性を有すると共に、上記の条件を満たす底角αを有するプリズム１１を用いているので、従来のように、何十層もの多層膜を形成したプリズムを用いる必要がなく、製造が容易、かつ安価なものとなる。

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［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。本実施の形態に係る偏光素子２は、上記第１の実施の形態の偏光素子１を所定の間隔で対向させたものである。そこで、上記第１の実施の形態における構成・作用・効果と共通する部分については適宜省略する。

図２は、本発明の一実施の形態に係る偏光素子２の断面を表したものである。この偏光素子２は、２つの偏光素子１およびスペーサ４０を備えている。２つの偏光素子１におけるそれぞれのプリズム１１は、スペーサ４０を介して所定の間隔で対向配置されている。さらに、２つの偏光素子１は、一方の偏光素子１の基材フィルム１０側から入射する入射光の光軸と、他方の偏光素子１の基材フィルム１０側から射出されるｐ偏光の光軸とが互いに平行となるように配置されている。スペーサ４０は、例えば底面と対向する頂角から底面に下ろした垂線の長さの半分以下の直径の球形で構成されており、２つの偏光素子１におけるそれぞれのプリズム１１の間には、空気（屈折率１．０）が満たされている。

本実施の形態の偏光素子３では、入射側のプリズム１１において、入射光をｐ偏光成分とｓ偏光成分に分離する。その分離されたｐ偏光を斜面から透過し、分離されたｓ偏光を斜面で反射して底面から入射光側に戻す。出射側のプリズム１１において、入射側のプリズム１１を透過したｐ偏光を斜面から透過すると共に、入射光とほぼ同一の方向に出射する。

以上より、本実施の形態の偏光素子２によれば、光学異方性を有すると共に、上記の条件を満たす底角αを有するプリズム１１を用いているので、入射光をｐ偏光とｓ偏光とに空間分離することができる。また、２つの偏光素子１を対向配置しているので、偏光素子１の基材フィルム１０の面に対して垂直な光軸を有するｐ偏光を射出することができる。さらに、プリズム１１を透過する光をｐ偏光のみとすることができるので、偏光分離性能が顕著に優れている。

また、本実施の形態の偏光素子２においても、光学異方性を有すると共に、上記の条件を満たす底角αを有するプリズム１１を用いているので、何十層もの膜を形成したプリズムを用いる必要がなく、製造が容易、かつ安価であると共に、空間分離能力に優れている。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。本実施の形態に係る偏光素子３は、上記第１の実施の形態の偏光素子１にプリズム１２および接着層１３を更に構成要素に追加したものである。従って、上記第１の実施の形態における構成・作用・効果と共通する部分については適宜省略する。

図３は、本発明の一実施の形態に係る偏光素子３の断面を表したものである。この偏光素子３は、基材フィルム１０、複数のプリズム１１，１２および接着層１３を備えた構成を有するものである。

基材フィルム１０およびプリズム１１は、上記第１の実施の形態と同様の構成である。プリズム１２は、例えば一方の底角α２が３７．５°、他方の底角α３が２０°、これらの底角α２，α３に挟まれた底面の形状がプリズム１１の一の斜面の形状（四角形）とほぼ同一の三角柱で構成されている。また、プリズム１２は、底面がプリズムの一の斜面に接着層１３を介して接するように設けられている。さらに、プリズム１２は、底角α２が接着層１３を介してプリズム１１の底角α１に接すると共に、底角α３が接着層１３を介してプリズム１１の２つの底角α１以外の頂角に接するように設けられている。ここで、プリズム１２は、基材フィルム１０およびプリズム１１と同一の材料で構成されており、基材フィルム１０およびプリズム１１と同一の光学軸および複屈折性を有する。

接着層１３は、光学的な等方性を有する材料で構成されており、具体的には、屈折率Ｎｃ１．３５のフッ素含有アクリル樹脂又はフッ素系ポリマー樹脂で構成されている。

本実施の形態の偏光素子３では、プリズム１１において、入射光をｐ偏光成分とｓ偏光成分に分離すると共に、ｐ偏光を一の斜面から透過し、ｓ偏光を他の斜面から透過する。一方、プリズム１２側においては、プリズム１１の一の斜面を透過したｐ偏光を斜面から透過し、プリズム１１の他の斜面を透過したｓ偏光を斜面で反射して底面から入射光側に戻す。

次に、プリズム１１，１２によって入射光をｐ偏光とｓ偏光とに空間分離する方法について説明する。

まず、ｐ偏光が上述のようにプリズム１１の斜面を透過するには、入射光がプリズム１１の斜面に入射する角度γが少なくともｐ偏光に対する臨界角βｐ１より小さいことが必要である。一方、ｓ偏光が上述のようにプリズム１１の斜面で全反射されるには、入射光がプリズム１１の斜面に入射する角度γ１が少なくともｓ偏光に対する臨界角βｓ１以上であることが必要である。従って、入射光がプリズム１１の斜面に入射する角度γ１は、ｓ偏光に対する臨界角βｓ１以上、ｐ偏光に対する臨界角βｐ１未満であることが必要となる。その結果、入射光をプリズム１１の底面に垂直に入射させる場合において、プリズム１１の底角α１は、ｓ偏光に対する臨界角βｓ１以上、ｐ偏光に対する臨界角βｐ１未満であることが必要となる。

そこで、入射光がプリズム１１の底面に垂直に入射するとして具体的に計算する。プリズム１１の斜面に接する接着層１３の屈折率Ｎｃは１．３５であるから、ｐ偏光に対する臨界角βｐ１は、ｓｉｎ^-1( Ｎｃ／Ｎｐ) ＝５９．３０°となり、ｓ偏光に対する臨界角βｓ１は、ｓｉｎ^-1( Ｎｃ／Ｎｓ) ＝４６．５４°となる。従って、入射光がプリズム１１の斜面に入射する角度γ１は、４６．５４°以上、５９．３０°未満であることが必要となる。その結果、プリズム１１の底角α１は、４６．５４°以上、５９．３０°未満であることが必要となる。

なお、上述のようにプリズム１１の一方の斜面で全反射されたｓ偏光がプリズム１１の他方の斜面へ入射する角度γ２（＝１８０°−３α１）は、２．１°より大きく、４０．３８°以下である。従って、角度γ２はｓ偏光に対する臨界角βｓ１（＝４６．５４）より小さいので、プリズム１１の一方の斜面で全反射されたｓ偏光は、プリズム１１の他方の斜面を透過する。

次に、プリズム１１の他方の斜面を透過したｓ偏光が上述のようにプリズム１２の斜面で全反射されるには、ｓ偏光がプリズム１２の斜面に入射する角度γ２が少なくともｓ偏光に対する臨界角βｓ２以上であることが必要である。以下、図４に示したように、プリズム１２における底角α２，α３以外の頂角を鈍角とした場合について説明する。

この場合には、角度γ３は、１８０°−３α１＋α３であるから、プリズム１２の底角α３が、βｓ２≦１８０°−３α１＋α３を満たすことが必要である。従って、プリズム１２の底角α３は、３α１＋βｓ２−１８０°以上となる。

具体的には、偏光素子２を取り巻く媒質を空気（屈折率Ｎａ＝１．０）とすると、ｓ偏光に対する臨界角βｓ２は、ｓｉｎ^-1( Ｎａ／Ｎｓ) ＝３２．５２°となる。従って、プリズム１２の底角α３は、プリズム１１の底角α１を５２．５０°（このときの入射角は５２．５０°）とすると、１０．０２°以上であることが必要となる。

続いて、プリズム１２の斜面Ａで全反射されたｓ偏光が上述のようにプリズム１１の底面を透過するには、ｓ偏光がプリズム１２の底面に入射する角度γ４が少なくともｓ偏光に対する臨界角βｓ２より小さいことが必要である。ここで、角度γ４は、１８０°−４α１＋２α３であるから、プリズム１２の底角α３が、βｓ２＞１８０°−４α１＋２α３を満たすことが必要である。従って、プリズム１２の底角α３は、（βｓ２＋４α１−１８０°）／２より小さいことが必要となる。

具体的に、プリズム１２の底角α３は、プリズム１１の底角α１を５２．５０°とすると、３１．２６°より小さいことが必要となる。なお、プリズム１２の底角α２を９０°−α１＝３７．５として、隣り合う２つのプリズム１２の斜面同士が隙間なく接する（境界Ｃ）ようにしている。ただし、実際には、隣り合う２つのプリズム１２は上述のように一体成形されるので、図４に示した境界Ｃは本実施の形態における偏光素子３には存在しない。すなわち、図４に示した境界Ｃは単に説明上便宜的に用いられたものであり、この境界Ｃは本実施の形態の効果に何らの影響を及ぼさない。以下に示した変形例においても同様である。

これらのことから、プリズム１１の底角α１を５２．５０°とした場合には、プリズム１２の底角α３を、１０．０２°以上、３１．２６°より小さくすることが必要となる。

さらに、ｐ偏光が上述のようにプリズム１２の斜面Ｂを透過するには、入射光がプリズム１２の斜面に入射する角度γ５が少なくともｐ偏光に対する臨界角βｐ２より小さいことが必要である。ここで、角度γ５はα１−α３であるから、プリズム１２の底角α３が、βｐ２＞α１−α３を満たすことが必要である。従って、プリズム１２の底角α３は、α１−βｐ２より大きいことが必要となる。

具体的には、ｐ偏光に対する臨界角βｐ２は、ｓｉｎ^-1( Ｎａ／Ｎｐ) ＝３９．５６°となる。従って、プリズム１２の底角α３は、プリズム１１の底角α１を５２．５０°とすると、１２．９６°より大きいことが必要となる。

まとめると、プリズム１１の底角α１を５２．５０°とした場合には、プリズム１２の底角α３を、１２．９６°より大きく、３１．２６°より小さくすることが必要となる。なお、本実施の形態におけるプリズム１２の底角α３は、２０°となっているので、上記の条件を満たしている。

以上より、本実施の形態の偏光素子３によれば、光学異方性を有すると共に、上記の条件を満たす底角α１を有するプリズム１１および上記の条件を満たす底角α２，α３を有するプリズム１２を用いているので、入射光をｐ偏光とｓ偏光とに空間分離することができる。また、プリズム１１，１２を透過する光をｐ偏光のみとすることができるので、偏光分離性能が顕著に優れている。

また、本実施の形態の偏光素子３では、光学異方性を有すると共に、上記の条件を満たす底角α１を有するプリズム１１および上記の条件を満たす底角α２，α３を有するプリズム１２を用いているので、何十層もの膜を形成したプリズムを用いる必要がない。この結果、製造が容易、かつ安価であると共に、空間分離能力に優れている。

［変形例］
本実施の形態では、プリズム１２における底角以外の頂角が鈍角となるようにしていたが、図５に示したように、プリズム１２における底角以外の頂角が鋭角となるようにしてもよい。そこで、この場合について説明する。なお、本変形例におけるプリズム１２は、本実施の形態の場合と同様に、例えば一方の底角α２が３７．５°（＝９０°−α１）、他方の底角α３が８０°となっている。

この場合には、角度γ３は、１８０°−α１−α３であるから、プリズム１２の底角α３が、βｓ２≦１８０°−α１−α３を満たすことが必要である。従って、プリズム１２の底角α３は、１８０°−α１−βｓ２以下であることが必要となる。

具体的には、偏光素子３を取り巻く媒質を空気（屈折率Ｎａ＝１．０）とすると、ｓ偏光に対する臨界角βｓ２は、ｓｉｎ^-1( Ｎａ／Ｎｓ) ＝３２．５２°となる。従って、プリズム１２の底角α３は、プリズム１１の底角α１を５２．５０°（このときの入射角は５２．５０°）とすると、９４．９８°以下であることが必要となる。

続いて、プリズム１２の斜面Ｂで全反射されたｓ偏光が上述のようにプリズム１１の底面を透過するには、ｓ偏光がプリズム１２の底面に入射する角度γ４が少なくともｓ偏光に対する臨界角βｓ２より小さいことが必要である。ここで、角度γ４は、１８０°−２α３であるから、プリズム１２の底角α３が、βｓ２＞１８０°−２α３を満たすことが必要である。従って、プリズム１２の底角α３は、（１８０°−βｓ２）／２より大きいことが必要となる。具体的には、プリズム１２の底角α３は、７３．７４°より大きいことが必要となる。

これらのことから、プリズム１１の底角α１を５２．５０°とした場合には、プリズム１２の底角α３を、７３．７４°より大きく、９４．９８°以下にすることが必要となる。

さらに、ｐ偏光が上述のようにプリズム１２の斜面を透過するには、入射光がプリズム１２の斜面に入射する角度γ５が少なくともｐ偏光に対する臨界角βｐ２より小さいことが必要である。ここで、角度γ５はα３−α１であるから、プリズム１２の底角α３が、βｐ２＞α３−α１を満たすことが必要である。従って、プリズム１２の底角α３は、βｐ２＋α１より小さいことが必要となる。

そこで、具体的に計算すると、ｐ偏光に対する臨界角βｐ２は、ｓｉｎ^-1( Ｎａ／Ｎｐ) ＝３９．５６°となる。従って、プリズム１２の底角α３は、プリズム１１の底角α１を５２．５０°とすると、９２．０６°より小さいことが必要となる。

まとめると、プリズム１１の底角α１を５２．５０°とした場合には、プリズム１２の底角α３を、７３．７４°より大きく、９２．０６°より小さくすることが必要となる。なお、本変形例におけるプリズム１２の底角α３は、８０°となっているので、上記の条件を満たしている。

以上より、本変形例の偏光素子３によれば、光学異方性を有すると共に、上記の条件を満たす底角α１を有するプリズム１１および上記の条件を満たす底角α２，α３を有するプリズム１２を用いているので、入射光をｐ偏光とｓ偏光とに空間分離することができる。また、プリズム１１，１２を透過する光をｐ偏光のみとすることができるので、偏光分離性能が顕著に優れている。

また、本実施の形態の偏光素子３では、光学異方性を有すると共に、上記の条件を満たす底角α１を有するプリズム１１および上記の条件を満たす底角α２，α３を有するプリズム１２を用いているので、何十層もの多層膜を形成したプリズムを用いる必要がない。この結果、製造が容易、かつ安価であると共に、空間分離能力に優れている。

（液晶表示装置、液晶表示パネル）
次に、上記実施の形態およびその変形例により得られた偏光素子１〜３の具体的な適用例について説明する。ただし、ここでは、その適用例の１つである偏光素子２を含んで構成した実施の形態について説明する。

本実施の形態に係る液晶表示装置は、例えばＲＧＢ各色用の液晶表示パネルを用いて照明光を基に３色の画像光を形成すると共に、これらの画像光を合成してカラー画像を生成し投影表示する液晶プロジェクタに用いられる。なお、本実施の形態にかかる液晶表示パネルについては、液晶表示装置によって具現化されるので、以下、併せて説明する。

図６は、本実施の形態に係る液晶表示装置５の概略構成を表したものである。この液晶表示装置５は、液晶表示パネル５０および光源６０を備えている。液晶表示パネル５０は、液晶セル５１の入射側の面に偏光デバイス４、出射側の面にカラーフィルタ５２をそれぞれ配設した構成を有している。ここで、偏光デバイス４は、２つの赤用偏光デバイス４Ｒ、２つの緑用偏光デバイス４Ｇ、２つの青用偏光デバイス４Ｂを含んで構成されている。カラーフィルタ５２は、２つの赤用フィルタ５２Ｒ、２つの緑用フィルタ５２Ｇ、２つの青用フィルタ５２Ｂを含んで構成されている。赤、緑、青用偏光デバイス４Ｒ, ４Ｇ，４Ｂは、液晶セル５１を間にして上記赤、緑、青用フィルタ５２Ｒ，５２Ｇ，５２Ｂに対向する部位にそれぞれ配置されている。光源６０は、例えば白色光源のランプおよび反射鏡を含んで構成されており、被照射面である液晶表示パネル５０を照射するための光束を供給するようになっている。

この液晶表示パネル５０に入射した光は、偏光デバイス４においてｐ偏光に変換された後、液晶セル５１において、そのｐ偏光の透過率が映像信号に応じて変更される。そして、この液晶セル５１を透過した光は、カラーフィルタ５２においてＲＧＢ各色からなるカラー画像光に変換される。

このように、本実施の形態の液晶表示装置５（液晶表示パネル５０）では、偏光分離性能が優れた偏光素子４を用いるようにしたので、ｐ偏光のみの光を照明光として利用することができる。この結果、表示品質に優れた液晶表示装置（液晶表示パネル）を提供することができる。

また、本実施の形態の液晶表示装置５（液晶表示パネル５０）では、光学異方性を有するプリズム１１を含んで構成した偏光デバイス４を用いるようにしたので、何十層もの膜を形成した偏光素子を用いる必要がない。この結果、安価な液晶表示装置（液晶表示パネル）を提供することができる。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。

例えば、本実施の形態の偏光素子１〜４では、基材フィルム１０、プリズム１１，１２、光学薄膜３３の光学軸を入射面に垂直な方向としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、入射光に対して複屈折性を有するように光学軸が設定されていればよい。このように光学軸を設定することにより、プリズム１１の斜面または光学薄膜３３において入射光のｓ偏光成分のみを全反射させ、ｐ偏光成分のみを透過させることができるからである。

また、本実施の形態およびその変形例の偏光素子１〜３では、基材フィルム１０の材料として、光学異方性（複屈折性）を有する材料を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、光学的に等方性を有する材料を用いても構わない。

また、本実施の形態およびその変形例の偏光素子１〜３では、基材フィルム１０およびプリズム１１を別個に備えるようにしていたが、基材フィルム１０とプリズム１１とが一体成形された部材を備えるようにしても構わない。その場合には、その部材は、五角柱で構成されたプリズムを複数並設して構成されたものと等価である。

また、本実施の形態およびその変形例の偏光素子１〜３では、プリズム１１は二等辺三角柱で構成されていたが、本発明はこれに限定されるものではなく、プリズム１１，１２を用いて入射光をｓ偏光成分およびｐ偏光成分に空間分離することができるようにプリズム１１，１２の底面以外の少なくとも一つの面と底面とのなす角度が個々に設定されていればよい。さらに、プリズム１１が多角形で構成されるように設定しても構わない。

また、本実施の形態およびその変形例の偏光素子３では、プリズム１２は光学的に等方性を有する材料から構成されていたが、本発明はこれに限定されるものではなく、光学異方性材料から構成されていても構わない。

また、本実施の形態の液晶表示装置５および液晶表示パネル５０では、Ｒ，Ｇ，Ｂ各色の光を入射するようにしていたが、本発明はこれに限定されるものではなく、単に白色光を入射するようにしてもよい。このように白色光を入射光として利用する場合には、液晶表示装置５および液晶表示パネル５０は、例えばテレビやパーソナルコンピュータの表示画面としての液晶表示装置に好適に用いられる。

本発明の第１の実施の形態に係る偏光素子の断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る偏光素子の断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る偏光素子の断面図である。 図３の偏光素子の拡大図である。 本発明の第３の実施の形態の変形例に係る偏光素子の断面図である。 液晶表示装置の断面図である。 従来の偏光素子の断面図である。

符号の説明

１，２，３…偏光素子、１Ｒ…赤用偏光素子、１Ｇ…緑用偏光素子、１Ｂ…青用偏光素子、１０…基材フィルム、１１，１２…プリズム、１３…接着層、４０…スペーサ、５０…液晶表示パネル、５１…液晶セル、５２…カラーフィルタ、５２Ｒ…赤用カラーフィルタ、５２Ｇ…緑用カラーフィルタ、５２Ｂ…青用カラーフィルタ、６０…光源

Claims (11)

1. 光入射面と、
   光学異方性材料からなる複数の柱状プリズムと
   を備え、
   前記各柱状プリズムは、延在方向と直交する方向に並列配置され、空気に接すると共に前記光入射面とのなす角が互いに等しい一対の光射出面を有する二等辺三角形状となっており、かつ、前記一対の光射出面において、前記光入射面に垂直に入射した入射光のうち第１偏光を透過し、前記入射光のうち前記第１偏光に対して直交する偏光方向を有する第２偏光を前記光入射面側に全反射する偏光素子。
2. 基材フィルムを備え、
   前記各柱状プリズムは、前記基材フィルム上に配置されている請求項１記載の偏光素子。
3. 前記各柱状プリズムの母線方向は、前記光学異方性材料の光学軸に平行または垂直方向に一致している請求項１記載の偏光素子。
4. 前記各柱状プリズムは、結晶性樹脂からなる請求項１記載の偏光素子。
5. 第１光入射面と、
   光学異方性材料からなる複数の第１柱状プリズムが当該複数の第１柱状プリズムの延在方向と直交する方向に並列配置された第１光射出面と、
   複数の第２柱状プリズムが、当該複数の第２柱状プリズムの延在方向が前記第１柱状プリズムの延在方向と平行となるように前記第１柱状プリズムと所定の間隔で対向配置された第２光入射面と、
   前記第２光入射面との関係で前記第１光射出面とは反対側に設けられ、かつ前記第１光入射面と平行な第２光射出面と
   を備え、
   前記各第１柱状プリズムは、空気に接すると共に前記第１光入射面とのなす角が互いに等しい一対の第１斜面を有する二等辺三角形状となっており、かつ、前記一対の第１斜面において、前記第１光入射面に垂直に入射した入射光のうち第１偏光を透過し、前記入射光のうち前記第１偏光に対して直交する偏光方向を有する第２偏光を前記光入射面側に全反射し、
   前記各第２柱状プリズムは、空気に接すると共に前記第１光入射面とのなす角が互いに等しい一対の第２斜面を有する二等辺三角柱形状となっており、かつ、前記一対の第２斜面において、前記第１柱状プリズムを透過した偏光光を透過する偏光素子。
6. 前記各第２柱状プリズムは、光学異方性材料からなる請求項５記載の偏光素子。
7. 光入射面と、
   光学異方性材料からなる複数の第１柱状プリズムが当該複数の第１柱状プリズムの延在方向と直交する方向に並列配置され、かつ複数の第２柱状プリズムが、当該複数の第２柱状プリズムの延在方向が前記第１柱状プリズムの延在方向と平行となるように前記第１柱状プリズムとの関係で前記光入射面とは反対側に配置されると共に前記第１柱状プリズムに接合された光射出面と
   を備え、
   前記各第１柱状プリズムは、前記第２柱状プリズムに接合されると共に前記光入射面とのなす角が互いに等しい一対の第３斜面を有する二等辺三角柱形状となっており、かつ、前記一対の第３斜面において、前記光入射面に垂直に入射した入射光のうち第１偏光と前記第１偏光に対して直交する偏光方向を有する第２偏光との各成分を分離すると共に透過し
   前記各第２柱状プリズムは、空気に接すると共に前記光入射面とのなす角が互いに等しい一対の第４斜面を有する二等辺三角柱形状となっており、かつ、前記一対の第４斜面において、前記第１柱状プリズムを透過した第１偏光を透過し、前記第１柱状プリズムを透過した第２偏光を前記光入射面側に全反射する偏光素子。
8. 前記各第１柱状プリズムは、前記一対の第３斜面のうち一の斜面において、前記第１偏光を透過すると共に前記第２偏光を反射することにより前記入射光のうち前記第１偏光と前記第２偏光との各成分を分離し、前記一対の第３斜面のうち前記一の斜面とは異なる他の斜面において、前記一の斜面で分離された第２偏光を透過し、
   前記複数の第２柱状プリズムのうち前記一の斜面に接合されたプリズムは、前記第４斜面において、前記第１柱状プリズムを透過した第１偏光を透過し、
   前記複数の第２柱状プリズムのうち前記他の斜面に接合されたプリズムは、前記第４斜面において、前記第１柱状プリズムを透過した第２偏光を反射する請求項７記載の偏光素子。
9. 前記入射光が前記第３斜面に入射する角度γ１、前記第１柱状プリズムを透過した第２偏光が前記複数の第２柱状プリズムのうち前記他の斜面に接合されたプリズムの第４斜面に入射する角度γ３は、以下の式を満たす請求項８記載の偏光素子。
   βｓ１≦γ１＜βｐ１ （式１）
   γ３＞βs ２ （式２）
   βｐ１：前記第３斜面での前記第１偏光に対する臨界角
   βｓ１：前記第３斜面での前記第２偏光に対する臨界角
   βｓ２：前記複数の第２柱状プリズムのうち前記他の斜面に接合されたプリズムの第４斜面での前記第２偏光に対する臨界角
10. 液晶セルの一方の面に偏光素子が配置された液晶表示パネルであって、
    前記偏光素子は、
    光入射面と、
    光学異方性材料からなる複数の柱状プリズムと
    を備え、
    前記各柱状プリズムは、延在方向と直交する方向に並列配置され、空気に接すると共に前記光入射面とのなす角が互いに等しい一対の光射出面を有する二等辺三角形状となっており、かつ、前記一対の光射出面において、前記光入射面に垂直に入射した入射光のうち第１偏光を透過し、前記入射光のうち前記第１偏光に対して直交する偏光方向を有する第２偏光を前記光入射面側に全反射する液晶表示パネル。
11. 液晶表示パネルと、前記液晶表示パネルの一方の面に光を入射させる光源とを備えた液晶表示装置であって、
    前記液晶表示パネルは、液晶セルと、前記液晶セルの一方の面に配置された偏光素子とを有し、
    前記偏光素子は、
    光入射面と、
    光学異方性材料からなる複数の柱状プリズムと
    を備え、
    前記各柱状プリズムは、延在方向と直交する方向に並列配置され、空気に接すると共に前記光入射面とのなす角が互いに等しい一対の光射出面を有する二等辺三角形状となっており、かつ、前記一対の光射出面において、前記光入射面に垂直に入射した入射光のうち第１偏光を透過し、前記入射光のうち前記第１偏光に対して直交する偏光方向を有する第２偏光を前記光入射面側に全反射する液晶表示装置。

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